城市小区雨水资源利用技术试验研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 8.45MB 92 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 研究背景

水是人类生存的生命线，是城市经济发展的基础资源，也是整个国民经济的

命脉。它对于人类文明进步起着至关重要的作用。

而 21 世纪水资源却面临着空前的危机，水资源问题已成为全球关注的问题[1]。

我国水资源总量 28000 多亿 m3，居世界第 6 位。人均水资源量只有 2300 立方米，

约为世界人均水量的 1/4[2]，是人均水资源最缺乏的国家。尤其城市人口密集，工

业发达，是用水高度集中之地，其水资源供需矛盾更为尖锐。

随着社会的发展和城市化及工业化程度的提高，我国形成了农村人口大规模

向城市转移的浪潮，城市人口以 1：3 的速度日益增长。城市人口和城市面积急剧

膨胀，使城区及其周边地区的生态系统发生显著的变化，特别是对现有水资源和

水环境造成了巨大的压力。根据中国城市水资源预测，2010 年、2030 年、2050 年

城市用水需求将在目前约 630 亿立方米的基础上分别增加 280 亿立方米、590 亿立

方米、910 亿立方米 [3，4]。水资源的供需矛盾会进一步加剧，未来水资源短缺的压

力会越来越大。同时城市中的部分工业废水和生活污水及雨水径流没有经过处理

直接排入江河湖泊中，造成天然水体的点源及面源污染，水源水质日趋恶化，不

能满足水体正常循环使用的功能要求，破坏了天然水体的良性循环，大大减少了

有限水资源的利用状况。全国城市水源只有 30％符合卫生标准，全国七大水系有

一半以上被污染，流经 42 个大中城市的 44 条河流中大约有 93％被污染[5]。据统

计，在我国 600 多座城市中，有 50％的城市缺水，其中 108 座城市严重缺水[6]。

我国西部及北部城市缺水尤为严重，甚至对于水量较充沛的上海市无论是水源容

量还是水源质量都不能满足 21 世纪可持续发展的需要。据预测 2020 年，全市生

活用水量约为 22 亿立方米，将是目前的 1.5 倍，年均增长 3%。工业用水量约为

22.34 亿立方米，约是目前的 2.4 倍 [7]。按照上述形势，目前的水源容量只能用来

维持常规性发展的用水需要，较难适应未来各种非常规、非预期的变化。另一方

面，由于工业的发展、水源污染严重，黄浦江的水质总体为 III-IV 级，与巴黎、

伦敦、纽约等世界级城市相比，上海属于水质性严重缺水的城市。解决水资源危

机、寻找新的水资源，研究水资源可持续发展也是各城市当前要着重解决的问题

之一。

面对日趋严重的城市水资源危机，各地都以可持续发展的战略思想为指导，

开源节流。雨水是水资源的天然补给水源，作为一种长期稳定存在的补给资源，

采取各种有效措施提高雨水资源利用能力和效率，是解决水资源匮乏的重要途径。

因此，城市雨水资源处理利用作为一种开源节流的新途径应运而生。城市雨水资

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源处理利用在经济上是可行的。对此，甘肃省作过分析，得出主要结论是：雨水

积蓄利用工程的资金投入仅为常规水源水处理工程费用的 1／15～1／2；为远距离

输水工程费用的 1／18～1／6[8]。其次雨水资源量丰富，据统计我国年降水量可达

61900 亿 m3，雨量充沛的上海市年降雨量为 1123.7mm[7]，这是非常巨大的水资源库，

这一资源的收集利用能有效补充现有水资源量的不足。再者雨水是自然界水循环

系统中的重要环节,城市雨水资源的利用对城市复合生态系统的良性循环与可持

续发展，对改善城市水环境起着重要作用[9]。雨水作为资源不仅可用于生活与工业

生产，而且还可作为城区绿化、灌溉、市政清洁及补充地下水，发挥多种生态效

益[10]。

目前，各国在城市雨水资源处理利用技术研究方面取得了一些成绩，并对部

分居住区、工业区、商业区、校园区和综合区域等城市小区及大型建筑物的雨水

径流进行收集，修建了雨水处理利用设施，为城市雨水资源利用奠定了一定的理

论基础，部分小区及建筑集雨与处理利用工程的实施与示范，推动了雨水资源化

工程应用进程。

§1.1.1 国内外城市雨水资源利用现状

雨水利用是水资源开发最早的方式，有几千年的历史。公元前2000多年的中

东地区，许多家庭就有雨水收集系统，储存雨水用于灌溉、生活、私人洗浴和公

共卫生。公元8世纪，希腊人的房子建有储水槽，用于淋浴和卫生间冲洗。20世纪

80年代初期，国际雨水收集系统协会(IRCSA)应运而生；德国从80年代后期开始，

修建了大量的雨水调节池来处理和利用雨水，迄今已实现了雨水利用技术的集成

化[11，12]；80年代日本便提出了“雨水流出抑制型下水道”，即采用一些渗透设施

截流雨水并收集利用[13～15]；美国和欧洲一些国家也逐步开始考虑雨水的截流和储

存，回灌补充地表和地下水源，同时制定相应的法规以限制雨水的直接排放[16，

17]。

德国的城市雨水利用方式有三种：一是屋面雨水集蓄利用系统，收集的雨水

主要用于家庭、公共场所和企业的非饮用水。二是雨水截污与渗透系统，道路雨

水通过下水道排入沿途大型蓄水池或通过渗透补充地下水。德国城市街道雨水管

道口均设有截污挂篮，以拦截雨水径流携带的污染物。三是生态小区雨水利用系

统。小区沿着排水道建有渗透浅沟，表面植有草皮，供雨水径流流过时下渗。部

分雨水则进入雨水池或人工湿地，作为水景或继续处理利用 [18]。

日本是雨量充沛的国家，在城市屋顶修建的“空中花园” ，减少城市地表径

流的同时减少自来水的消耗，增加了城市的绿地面积，美化了城市环境，净化了

城市空气，吸收了城市噪声，还能够降低城市的热岛效应。日本修建的蓄积雨水

工程设施，既控制了汛期多余的雨洪径流，又减少了排水设施，同时也缓解了城

第一章绪论

市水资源的供需矛盾。如日本名古屋的若宫大通调节池，建在城市街道下面(与地

面仅有一层混凝土板相隔)，长约316m，宽度为47～50m，最大贮流量约100m3，近

年来，各种雨水渗透设施在日本得到迅速发展。包括渗井、渗沟、渗池等，这些

设施占地面积小，可因地制宜地修建在楼前屋后。日本政府于1992年颁布了“第

二代城市排水总体规划”，正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的

组成部分，要求新建、改建的大型公共建筑物必须设置雨水下渗设施。[19，20]

美国的雨水利用是以提高天然入渗能力为其宗旨。针对城市化引起的河道下

游洪水泛滥问题，美国的科罗拉多州(1974年)、佛罗里达州(1974年)和宾西法尼

亚州(1978年)分别制定了雨水管理条例。各州普遍推广屋顶蓄水和由入渗池、渗

井、草地、透水路面组成的雨水渗透系统，其中加州富雷斯诺市年渗透量占该市

年用水量的1／5。美国加州富雷斯诺市的“Leaky Areas ”地下水回灌系统, 10

年间( 1971～1980 ) 的地下水回灌总量为1.338亿m3, 其年回灌量占该市年用水量

的20%。在芝加哥市兴建了地下隧道蓄水系统,以解决城市防洪和雨水利用问题。

美国在雨水渗透利用工程方面还制定了相应的法律法规对雨水利用给予支持。如

科罗拉多州、佛罗里达州和宾夕法尼亚州分别制定了《雨水利用条例》。这些条例

规定新开发区的暴雨洪水洪峰流量不能超过开发前的水平。所有新开发区必须实

行强制的“就地滞洪蓄水”[21] 。

英国把雨水作为不可替代的水源, 以减少地下水的消耗。在城市局部地域内

收集到的雨水径流, 经过收集管底部的预过滤设备, 进入贮水池进行储存, 提供

人们生活所需的部分杂用水, 缓和城市水资源危机。把一些大型建筑物中雨水收

集用于景观水。以英国世纪穹顶为例。该建筑是英国为了庆祝新千年在格林威治

兴建的。作为环保措施的一座大型建筑，安装了雨水收集利用设施。穹顶收集的

雨水用为建筑内的冲厕等杂用。雨水依次通过一级芦苇床、泻湖及三级芦苇床。

芦苇床的面积为250m2，泻湖的容积为400m3。芦苇床身0.6m，坡度为0.5％。为防

止冲刷，湖底床铺鹅卵石，直径在5～10mm之间，同时种植当地高耐盐性的芦苇。

该处理系统不仅利用自然生态的方式有效的预处理了雨水，同时改善了自然景观

[22]。

我国城市雨水利用虽具有悠久的历史，而真正意义上的城市雨水利用的研究

与应用却从20世纪80年代开始，并于90年代发展起来。但总的来说技术还较落后，

缺乏系统性，更缺少法律、法规保障体系。

20世纪90年代以后，我国特大城市的个别建筑物已建有雨水收集系统。比较

典型的有山东的长岛县、大连的獐子岛和浙江省舟山市葫芦岛、上海浦东国际机

场航站楼等雨水集流利用工程 [23]。另外，为了解决西北干旱缺水地区的用水问题，

城市小区雨水资源利用技术试验研究

20世纪80年代开始建成雨水利用工程，如甘肃省的“121”工程和集雨节灌工程和

宁夏的水窖节灌工程等，使雨水集蓄利用形成了一定的规模。北京1988年以来修

建了50多座橡胶坝拦截雨水；又如汾河太原城区段通过设置蓄水橡胶坝以及滨河

绿带的规划整治，较好的构筑了城市滨水景观。北京市政府办公楼雨水利用工程，

采用了人工和生态相结合的净化方法，即植物土壤生态过滤技术，和区内的绿化

相结合，利用天然土壤、植物根系和丰富的微生物种群对雨水中的污染物进行物

理过滤、吸附与吸收、交换、生物降解等过程，使水质符合了回用标准。上海民

立中学、北京郦城小区均使用了屋顶绿化的雨水生态处理利用方法，优化建筑的

热工性能，改善居住环境。还有一些住宅区对原有建筑屋面进行平改绿、坡改绿

等改造，收到良好的效果。福州市湖滨一至四里平改绿试点工程就是屋顶绿化改

造的一个成功例子[24]。选址黄浦江两岸滨水区的上海世博园，预计在积极研究消

化和吸收国内外先进技术的基础上，对现有的城市水循环利用技术集成和优化，

研究开发世博园区内雨水收集、生态处理技术、初期雨水快速高效处理技术和雨

水就地资源化利用技术和设备，在治理初期雨水的同时实现雨水的资源化利用的

示范工程，建立优化的水循环模式。雨水资源化循环模式结构图见图1-1所示。

图1-1雨水资源化结构图

第一章绪论

对雨水处理利用的生态处理技术和高效处理技术的研发是世博园生态化建设

的关键，也是目前雨水处理利用技术的研究方向及本文研究的主旨。要想实现传

统技术的突破，必须做好雨水水质特性研究的前期工作。

§1.1.2 国内外城市雨水处理利用技术研究现状

要实现城市雨水资源利用，需进行水质监测分析，据雨水水质特性，选择适

宜的雨水处理技术，使处理水达到使用标准。通过前述的雨水资源利用工程实例

及查阅大量的文献资料可知，目前，美国、澳大利亚、加拿大及我国等国家只对

部分城市区域进行了雨水径流水质监测，水质资料匮乏。城市雨水径流处理常用

的物化处理技术及土壤净化为主的生态化处理技术研究成果甚少。

美国 EPA1981-1983 年投入 1.5 亿美元进行“全美城市径流项目”研究，在许

多大城市分析了雨水径流水质数据[25，26]。Sansalone (1997)认为城市路面径流中

的污染物通常有固体物质、营养物质、重金属、油和脂、细菌、除冰盐等[27]。Gjessing

等测定了挪威公路路面径流中 PAHs 和重金属的含量，并分析了各种污染物的来源

及其在受纳水体中的分布情况[28]；Viklander (1998)测试了沉积于瑞典街道上沉

积物的颗粒级配及重金属的含量，并分析了其与交通流量及周围区域环境的关系

[29]。Drapper 等对澳大利亚布里斯班市 12 场降雨在公路上 21 个测点的路面径流进

行了 18 个月的测试研究，分析了径流中 SS、凯氏氮（TNK）、总磷、重金属等污染

物的浓度，并研究了径流中污染物的浓度与交通量、路面类型、测点特征之间的

关系[30]，但由于每场降雨的特点和天气条件又不尽相同，因此所确定的关系对其

他地区不适用，但其研究方法和研究思路是可借鉴的。加拿大通过互连网收集了

1970-1995 年 140 份关于雨水径流水质的文献，归纳了部分主要污染物的变化范围

[3]。近年来，国外城市开始关注不同汇水面的分流水质情况，法国的研究者对巴黎

市中心瓦屋面、石板屋面、锌板屋面、三个庭院和六个街道取样点的 16 场雨进行

监测分析，表明了庭院和街道径流的污染比屋面的严重[3]。德国 W.F.Geiger 教授

把屋面雨水资料和路面雨水径流区分开来研究，以便针对不同的质量进行处理和

利用，总结了德国屋面、路面径流部分指标的平均值、低值、中值、高值[4]，为雨

水径流分质分流处理思路奠定了基础。国外部分国家的雨水径流水质结果见表 1-1

所示。

在我国，只有极少数大型城市进行了局部短期的雨水监测工作。北京市经连

续四年对城区雨水径流进行分析，车武教授等指出，北京市雨水的初期径流污染

严重，不能直接回灌地下[4]。甘肃省自 1989 年开始庭院集雨工程的推广应用，工

程实施后对庭院雨水水质进行回访监测，发现其庭院雨水被监测的 20 项指标中只

有 15 项达到国家二级水质标准，仍然对环境造成了影响[8]。上海理工大学对部分

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地区的水质进行了监测，学者监测了屋面雨水、道路雨水和庭院雨水水质，并以

此和国内外其他大型城市雨水水质进行了对比，发现上海地区水质大部分指标比

北京好，但比欧美国家的要差[31，32]。同济大学对上海市地表径流污染负荷进行了

研究，将研究区域分为交通区、居民区、商业区，得出上海市的地表径流

表 1-1 国外部分国家雨水径流水质表

地点

汇

水面

污染物

浓度

法国

德国

美国

加拿大

屋面径流

街道径流

庭院径流

屋面径流

路面径流

混合径流

低

值

均

值

高

值

低

值

均

值

高

值

低

值

均

值

高

值

低

值

均

值

高

值

低

值

均

值

高

值

中

值

变化

系数

低

值

高

值

COD/mg/L

318

131

964

580

779

0.5-1

2200

SS/mg/L

304

498

100

1.0-2

36200

NH3-N/mg/L

0.6

0.75

0.9

Pb/mg/L

493

2764

0.14

0.5-1

0.006

26.0

Zn/mg/L

802

3422

3801

0.16

0.5-1

0.001

TP/mg/L

0.1

0.2

0.25

0.55

0.75

0.38

0.5-1

0.01

7.3

TN/mg/L

0.07

表 1-2 国内部分城市雨水径流水质表

地点

汇

水面

污染物

浓度

上海

北京

屋面径流

街道径流

庭院径流

屋面径流

路面径流

沥青屋面

瓦屋面

沥青屋面

瓦屋面

均

值

变化

系数

均

值

变化

系数

均

值

变化

系数

均

值

变化

系数

均

值

变化

系数

均

值

变化

系数

均

值

变化

系数

COD/mg/L

0.7-1.3

0.7-2

360

0.5-2

150

0.5-1.5

328

0.5-1.2

123

0.2-2

382

0.5-2

SS/mg/L

0.3-1.9

0.3-2

1100

0.7-1.3

0.5-1.2

136

0.5-2

136

0.5-2

734

0.5-2

NH3-N/mg/L

0.5-1.2

2.4

0.5-1.5

Pb/mg/L

0.09

0.5-1

0.08

0.5-1

0.1

0.5-2

Zn/mg/L

0.93

0.5-1

1.11

0.5-1

1.23

0.5-2

TP/mg/L

0.94

0.8-1

1.74

0.5-2

TN/mg/L

9.8

0.8-1.5

11.2

0.5-2

中的污染物浓度明显高于欧美发达国家大城市的调查结果[33]。整体而言，上海地

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第一章绪论1第一章绪论§1.1研究背景水是人类生存的生命线，是城市经济发展的基础资源，也是整个国民经济的命脉。它对于人类文明进步起着至关重要的作用。而21世纪水资源却面临着空前的危机，水资源问题已成为全球关注的问题[1]。我国水资源总量28000多亿m3，居世界第6位。人均水资源量只有2300立方米，约为世界人均水量的1/4[2]，是人均水资源最缺乏的国家。尤其城市人口密集，工业发达，是用水高度集中之地，其水资源供需矛盾更为尖锐。随着社会的发展和城市化及工业化程度的提高，我国形成了农村人口大规模向城市转移的浪潮，城市人口以1：3的速度日益增长。城市人口和城市面积急剧膨胀，使城区及其周边地区的生...

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